本發(fā)明屬于油氣井高壓固完井工具領域，具體涉及一種套管水泥頭快裝卡箍及其使用方法。

背景技術：

固井是石油鉆井過程中十分重要的環(huán)節(jié)，固井質量的好壞直接決定一口井能否順利鉆至目的層，成功進行下一步油氣開采作業(yè)。固井水泥頭作為固井環(huán)節(jié)中的必備裝置之一，對固井整個過程起到至關重要的作用。常規(guī)固井水泥頭采用普通下接頭與井口套管連接，由于水泥頭體積較大且外形笨重，與井口套管扣相連時不僅操作難度較大，而且存在上扣困難，操作時間過長的問題，不僅安裝連接過程繁雜，而且普通接頭不能滿足高壓固井時的耐高壓需求，制約了水泥頭的使用范圍。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于解決上述現(xiàn)有技術中存在的難題，提供一種套管水泥頭快裝卡箍及其使用方法，大大縮減水泥頭安裝過程的繁瑣性和安裝時間，并且能夠承受高壓，滿足現(xiàn)場高壓固井需求。

本發(fā)明是通過以下技術方案實現(xiàn)的：

一種套管水泥頭快裝卡箍，井口套管接箍插入到套管水泥頭快裝卡箍中，所述套管水泥頭快裝卡箍包括快速鎖緊單元和密封單元；

所述快速鎖緊單元包括卡箍外殼以及設置在其內腔中的移動擋塊和鎖緊擋塊；當移動擋塊沿與卡箍外殼軸線平行的方向移動時，其推動鎖緊擋塊沿卡箍外殼的徑向方向移動，鎖緊或松開井口套管接箍；

所述密封單元包括上接頭以及設置在其內腔中的金屬套，在所述金屬套上設有密封膠圈；井口套管接箍的端部通過所述密封膠圈密封；

所述上接頭的一端連接卡箍外殼，另一端連接套管水泥頭。

在所述卡箍外殼的一端設有臺階，在該端的兩側的卡箍外殼的外壁上均開有與其軸線平行的凹槽，在卡箍外殼的另一端的內壁上設有螺紋；

在每個所述凹槽的一個側面均設有與卡箍外殼的軸線平行的齒條，在凹槽的底部均開有長孔；在凹槽內設有齒輪；所述齒輪的軸線與卡箍外殼的軸線垂直，齒輪與齒條咬合；

在所述移動擋塊上連接有傳動軸，所述傳動軸的一端固定在所述移動擋塊上，另一端穿過凹槽底部的所述長孔后與齒輪同軸線固定連接；

所述移動擋塊為環(huán)狀結構，其一端的內壁上設有斜面。

在所述卡箍外殼的內腔中固定安裝有限位環(huán)，所述鎖緊擋塊的一端頂住卡箍外殼的臺階，另一端頂住所述限位環(huán)；

所述鎖緊擋塊包括兩塊對稱的半圓弧體，兩塊半圓弧體均與卡箍外殼同軸線設置；

在每塊半圓弧體與臺階接觸的端面上開有彈簧槽，在所述彈簧槽內均安裝有圓環(huán)形的彈簧片，彈簧片的上部位于一塊半圓弧體的彈簧槽內，下部位于另一塊半圓弧體的彈簧槽內；

在每塊半圓弧體的另一端的外壁上設有斜面，半圓弧體上的斜面與移動擋塊上的斜面接觸，且兩者傾斜角度相同。

所述移動擋塊安裝在由卡箍外殼的臺階、卡箍外殼的內壁、鎖緊擋塊和限位環(huán)圍成的空間內。

在所述齒輪上設有扳手，扳手設在偏離齒輪圓心的位置，當轉動扳手時，齒輪隨之旋轉，傳動軸在長孔內進行直線移動，進而帶動移動擋塊沿與卡箍外殼的軸線平行的方向移動，其通過斜面推動鎖緊擋塊沿卡箍外殼的徑向方向移動，鎖緊或松開井口套管接箍。

所述齒條的兩端分別通過緊定螺釘固定在接箍外殼的凹槽的一側。

所述密封單元包括上接頭，上接頭的一端外壁上設有螺紋，與所述卡箍外殼的內螺紋連接；上接頭的另一端的內壁上設有螺紋，與水泥頭上的外螺紋連接；

在所述上接頭的中部設有臺階和卡簧槽，在卡簧槽內安裝有卡簧；

所述金屬套的一端頂住上接頭內部的臺階，另一端頂住所述卡簧；在金屬套頂住卡簧的端面上開有卡槽，所述密封膠圈安裝在該卡槽內；

在所述金屬套與上接頭內壁的接觸處安裝有密封圈。

所述套管水泥頭快裝卡箍的使用方法包括：

當需要連接套管水泥頭與井口套管時，將套管水泥頭的下端與上接頭內壁上的螺紋連接；

將井口套管接箍插入套管水泥頭快裝卡箍的內部；

旋轉卡箍外殼，通過其與上接頭間的螺紋以及套管水泥頭的自身重力，使套管水泥頭和井口套管接箍在軸向上鎖緊；此時，井口套管接箍的上端部插入到金屬套的卡槽內，與密封膠圈間形成密封；

轉動扳手，使得齒輪沿齒條下行，帶動移動擋塊向下移動，鎖緊擋塊受移動擋塊的壓緊力，沿徑向向卡箍外殼的內側收縮；

當移動擋塊下行到極限位置后，鎖緊擋塊完全收縮并鎖緊井口套管接箍，即完成套管水泥頭與井口套管的連接。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果是：

(1)快裝卡箍結構簡單，體積較小。易于加工及搬運。

(2)通過螺紋與套管水泥頭下端連接，操作簡便。

(3)通過快速鎖緊單元，可在短時間內連接井口套管，減少固井水泥頭安裝時間，提高固井施工效率。

(4)通過密封單元，使套管水泥頭與井口套管間形成有效密封，可滿足高壓固井需求；配合該快裝接箍，使常規(guī)水泥頭接頭處承壓能力高于常規(guī)套管水 泥頭，滿足清水替漿的高壓固井需求。

(5)可收縮式鎖緊機構，可根據現(xiàn)場需求調整鎖緊擋塊尺寸，滿足多種尺寸井口套管需求。

附圖說明

圖1是快裝卡箍整體結構示意圖

圖2是密封單元結構示意圖

圖3是快速鎖緊單元結構示意圖

圖4是快裝卡箍整體外觀示意圖

圖5是快裝卡箍與井口套管接箍鎖緊前的示意圖

圖6是快裝卡箍與井口套管接箍鎖緊后的示意圖

圖7是鎖緊擋塊5與彈簧片2、3的位置關系圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明作進一步詳細描述：

在固井作業(yè)開始前，需要將水泥頭與井口套管進行連接，兩者形成有效連接和密封通道，為固井泥漿和固井膠塞提供密封的過流通道。通常安裝套管水泥頭時，需將水泥頭下部套管扣與井口套管扣進行連接。由于套管水泥頭體積較大且外形笨重，與井口套管扣相連時不僅操作難度較大，而且存在上扣困難，操作時間過長的問題。

如圖1和圖4所示，本發(fā)明的水泥頭快裝卡箍由快速鎖緊單元、密封單元組成。其中快速鎖緊單元由卡箍外殼、鎖緊擋塊、移動擋塊、齒輪、齒條、傳動軸、彈簧片、限位塊組成。密封單元由上接頭、卡簧、密封膠圈、金屬套組成。快速鎖緊單元與密封單元通過螺紋相連。密封單元通過上接頭的螺紋與套管水泥頭相連。齒條的長度方向、傳動軸的移動方向都與卡箍外殼的軸線平行。

本發(fā)明提供的水泥頭快裝卡箍通過螺紋與上部水泥頭本體形成連接，通過 鎖緊機構與下部井口套管形成鎖定，靈活解決了水泥頭本體與井口套管的連接問題?？煅b卡箍采用的快速鎖緊機構，在結構上取消了與井口套管的連接螺紋，通過齒輪、齒條和移動擋塊間的相對位置移動，對套管接箍進行鎖緊。有效降低了認扣困難、上扣時間長的問題。同時密封機構采用密封橡膠和金屬套的結構，使井口套管與上部水泥頭本體間形成有效密封，承壓能力高于普通套管扣的密封能力，滿足高壓環(huán)境下的固井需求。

套管水泥頭快裝卡箍的各部分結構如圖1所示，圖2是快速鎖緊單元正視圖。齒條4通過緊定螺釘固定在接箍外殼1兩側，移動擋塊6與齒輪7通過傳動軸8連接，限位環(huán)10通過螺紋與接箍外殼1相連。擋塊5為2個對稱的半圓弧體(如圖7所示)，安裝在接箍外殼1與限位環(huán)10之間，并且一端開設有與其同軸線的兩個彈簧槽，在彈簧槽內安裝有圓環(huán)形彈簧片2、3。

圖3是密封單元結構示意圖。金屬套13通過卡簧11固定在上接頭15內部，密封橡膠12安裝在金屬套13的槽內。金屬套13與上接頭接觸處設有密封圈14。圖4是鎖緊單元結構示意圖。接箍外殼1和上接頭15通過螺紋進行連接。

本發(fā)明水泥頭快裝卡箍的使用方法如下：

連接套管水泥頭與井口套管之前，如圖5所示，首先通過上接頭15的螺紋(上接頭右端內壁設有母扣螺紋)。將快裝卡箍連接在套管水泥頭下端，再將井口套管接箍端插入水泥頭快裝卡箍內部，如圖5所示。旋轉接箍外殼1，通過其與上接頭15間的螺紋以及套管水泥頭的自身重力，使套管水泥頭和井口套管在軸向上鎖緊。此時，套管由于自身重力，其上部鎖定在金屬套13的卡槽內，與密封橡膠12間形成密封。隨后，轉動快裝卡箍兩側的扳手9，齒輪7沿齒條4下行，帶動移動擋塊6向下移動。同時，擋塊5受移動擋塊6的壓緊力，向卡箍內側收縮。當移動擋塊6下行到極限位置后，擋塊5完全收縮并鎖緊井口套管接箍，現(xiàn)軸向的鎖緊狀態(tài)，如圖6所示，此時，完成套管水泥頭與井口套管的連接，可進行下一步固井施工作業(yè)。當施工完畢，需要斷開連接時，反向轉動扳手即可。

常規(guī)水泥頭依靠螺紋完成進行各部件的連接，本發(fā)明的水泥頭采用了高壓密封單元結構，利用密封橡膠12和金屬間的擠壓作用(如圖6所示)，達到了高承壓的效果。

本發(fā)明提供的快裝接箍由快速鎖緊單元與密封單元組成。在固井作業(yè)開始前，首先通過螺紋將快裝接箍與套管水泥頭下端相連，再將井口套管接箍端插入水泥頭快裝卡箍內部，通過套管水泥頭自身重力并旋轉快裝接箍，使套管水泥頭和井口套管在軸向上鎖緊。再通過轉動快裝卡箍兩側的扳手，卡箍外側齒輪沿齒條下行，帶動快裝卡箍內部的移動擋塊向下移動?？ü績炔康膿鯄K受移動擋塊的壓緊力，向卡箍內側收縮，直至完全收縮并鎖緊井口套管接箍。此時，完成套管水泥頭與井口套管的有效連接，為固井泥漿和固井膠塞提供密封的過流通道，可進行下一步固井施工作業(yè)。該種快裝卡箍操作簡便，適用范圍廣，能夠有效提高現(xiàn)場施工效率。

該發(fā)明提供的套管水泥頭快裝卡箍適用范圍廣，能夠與常規(guī)水泥頭配套使用，結構簡單，操作簡便，能夠實現(xiàn)套管水泥頭和井口套管的快速連接，減少安裝作業(yè)時間，靈活解決了水泥頭本體與井口套管的連接問題，有效降低了認扣困難、上扣時間長的問題，提高了施工效率。并且特有的密封機構設計能夠實現(xiàn)水泥頭連接處高壓密封，滿足頁巖氣井清水替漿的高壓固井需求。因此，該快裝卡箍在固井作業(yè)過程中，具有廣闊的應用前景。

上述技術方案只是本發(fā)明的一種實施方式，對于本領域內的技術人員而言，在本發(fā)明公開了應用方法和原理的基礎上，很容易做出各種類型的改進或變形，而不僅限于本發(fā)明上述具體實施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是優(yōu)選的，而并不具有限制性的意義。